指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计

［摘 要］《普通高中物理课程标准（2017年版）》已在全国普遍施行，该标准不仅提出了学科核心素养这一重要概念，而且详细阐述了学科核心素养的内涵，在此基础上拟定了编写高中物理课程的目标。这无疑为广大一线教师矗立了一座“教海灯塔”。对高中物理教师而言，如何落实学科核心素养的教学要求，是一个既现实又迫切的问题。文章以人教版高中物理“自由落体运动”教学为例，剖析学科核心素养的本质要求，并探讨指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计。

［关键词］学科核心素养；教学设计；自由落体

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）14-0033-05

由教育部颁发的《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出：学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。［1］

物理学科核心素养的提出标志着我国对高中物理教学提出了新要求，指明了新方向。对高中物理教师而言，如何落实学科核心素养的教学要求，是一个既现实又迫切的问题。本文以人教版高中物理教材中的“自由落体运动”［2］的教学为例，剖析学科核心素养的本质要求，并探讨指向学科核心素养的高中物理课堂教学设计。

一、学科核心素养的本质要求

（一）物理观念

“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。“物理观念”主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。［3］

因为“物理观念”是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，物理观念的形成要依托物理概念、规律的准确把握，所以在物理观念教学中要关注学生对物理概念、规律的准确学习，促成学生对概念、规律的深度理解，从而帮助学生形成正确的物理观念。［4］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下两个方面的工作：（1）通过“设置情境→引发认知冲突→逻辑推理→实验验证→建构模型”的教学过程，加强“自由落体运动”概念教学；（2）通过“分组实验→数据分析→实验结论→总结规律→规律应用”的教学过程，加强“自由落体运动”规律教学。

（二）科学思维

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。［5］

科学思维是对自然界事物的本质属性、内在规律及事物间的相互关系的间接的、概括的和建构的反映，该反映以科学知识经验为中介，需要人脑借助推理和论证等形式，对多变量复杂系统进行信息加工。科学思维中常用的思维方法有分析、综合、抽象、概括、推理（演绎、归纳、类比）、论证等。［6］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下四个方面的工作：（1）通过对落体运动中重物下落快，还是轻物下落快的问题进行逻辑推理，提升学生的推理能力；（2）通过建构自由落体运动模型，提升学生的模型建构能力；（3）通过探究实验分析判断自由落体运动的性质，提升学生的分析判断能力；（4）通过运用公式处理实际问题，提升学生的综合分析能力。

（三）科学探究

“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素。［7］

科学探究的本质是：探究者通过自身主动参与，发现问题、解决问题，重要的是带着问题去思考、活动、学习。［8］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下工作：充分认识科学探究的重要性，认真组织学生进行分组探究实验，通过打点计时器记录重锤自由下落的运动情况，分析自由落体运动的性质，测量自由落体运动的加速度，总结自由落体运动的规律。

（四）科学态度与责任

“科学态度与责任”是指在认识科学本质，认识科学·技术·社会·环境关系的基础上逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感。“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素。［9］

科学态度与责任的教学不能生硬地单独说教，而应该通过探究的形式融入科学观念和科学思维教学之中，力求做到“随风潜入夜，润物细无声”。［10］

落实在“自由落体运动”教学中，教师应做好以下三个方面的工作：（1）通过回顾亚里士多德的错误观点，让学生认识到伟大的哲学家、思想家亚里士多德也会出现错误，从而树立不迷信权威、敢于质疑、追求真理的科学精神和科学态度；（2）指导学生阅读“科学漫步”栏目中的内容，让学生认识到人们对客观世界的认识，不是一帆风顺的，而是一个曲折甚至漫长的过程，中间会遇到许多困难，从而让学生树立崇尚科学、不畏艰辛、坚忍不拔的品质和意志；（3）指导学生阅读“STSE”栏目中的内容，让学生认识到，在追求真理的道路上，也会遇到坎坷，甚至遭遇风险，伽利略在追求真理的道路上勇毅前行，虽然付出了巨大的代价，但照亮了科学进步的航程，取得了流芳千古的辉煌成果。

二、指向学科核心素养的教学设计

案例：自由落体运动（人教版必修第一册第二章第四节）

（一）教学流程

本节课共设置8个教学环节。

（二）教学过程

［第1环节］创设真实情境，引入物理问题

教师（创设情境，展示图片）：（1）树叶飘落；（2）苹果坠落；（3）露水滑落。

播放视频：（1）高台跳水；（2）蹦极运动；（3）高空坠物。

教师（引入课题）：以上是生活中的物理现象，大家有没有想过这些运动中是否存在某种规律……这是本节课我们要探讨的问题。

教师（演示实验1）：让一块橡皮（涂成红色）与一张薄纸片同时下落。

教师：哪个先着地？

学生：橡皮先着地。

教师：通过上面的实验我们发现，重量大的橡皮先着地了，给人留下的印象是“重物先着地”。这个结论正确吗？

（学生露出疑惑的表情）

教师：其实，关于这个问题，早在2000多年前，古希腊哲学家、思想家亚里士多德就作出过这样的观点：“重物下落快。”你同意他的观点吗？

学生1：我认为亚里士多德的观点是正确的，在上面的实验中，就是重的橡皮先着地。

学生2：我觉得亚里士多德的观点可能有问题，我听说过亚里士多德的观点是错误的，但不知道为什么。

……

教师（演示实验2）：让一枚回形针（红色）和一张厚纸片同时下落。

教师：哪个先着地？

学生：回形针先着地。

教师（激疑）：在实验1中重的物体（橡皮）下落快，在实验2中轻的物体（回形针）下落快，那么到底是重物下落快还是轻物下落快呢？

（学生意见不同，疑惑不解）

教师：关于这个问题，早在16世纪就有一位著名的科学家思考过了，他就是意大利物理学家、天文学家伽利略，请大家阅读教材第47页最后一段文字，领会他的逻辑推理过程。

（学生自主学习）

教师（释疑）：伽利略通过严密的逻辑推理，得出了结论“重的物体与轻的物体下落得同样快”。之后，他又在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，进行了实验验证。

教师（再激疑）：那么，实验1和实验2中的现象与这一结论相矛盾，又怎么解释呢？

（学生讨论）

学生：可能是由于空气阻力的影响。

教师：让我们通过下面的演示实验来探究这个问题。

教师（演示实验3）：分未抽去空气和抽去空气两种情形进行牛顿管实验，（见图1）。

教师：同学们观察到了什么现象？

学生：未抽去空气时，重的铁片下落得快，轻的羽毛下落得慢，但抽去空气后，铁片和羽毛就下落得同样快了。

教师（总结并释疑）：在现实生活中，之所以看到轻重物体下落的快慢不同，是受到空气阻力作用的缘故，如果没有空气阻力，所有物体下落的快慢是一样的。

教师：将以上实验结果记录在同一张表格中，见表1（通过多媒体展示）。

［第2环节］抽象本质要素，建构物理模型

教师：已经知道，在没有空气阻力的时候，所有物体下落的快慢是一样的。既然是一样快慢的运动，这种运动就应该具有共同的本质属性和运动规律，为了认识这种运动的本质属性和规律，需要对这种运动建立一种模型，我们把这种运动模型起一个名字，叫作“自由落体运动”。

教师（通过多媒体展示给出定义）：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫自由落体运动。

教师：那么，如何探究自由落体运动的本质属性和规律呢？

学生：先搞清运动性质，看看是否为匀加速直线运动，然后再考虑探究运动规律。

［第3环节］学生自主探究，教师巡回指导

学生分组实验：探究自由落体运动的性质，测量自由落体加速度。

实验装置如图2所示，小组的实验器材有：铁架台一个，打点计时器一个，学生电源一台，重锤一个，纸带若干条，毫米刻度尺一把，铅笔一支，白纸多张，夹子一个。

实验步骤如下：

1.学生带着以下问题（教师设置的问题串）研读教材第P48页的实验（“研究自由落体运动的规律”）的要求。

（1）开始实验时，手应抓握在纸带的什么位置？纸带应保持什么样的状态？

（2）开始实验时，是先释放纸带，还是先接通电源？

（3）打出的纸带是否要有选择地使用？

（4）选取纸带时是否要考虑第一、二点间的距离约为2 mm？

（5）纸带选好后，是否可以通过纸带判断自由落体运动的性质？如何判断？

（6）如果通过纸带判断出自由落体运动是匀加速直线运动，那么是否可以通过纸带测出自由落体运动的加速度？如何测量？

（7）在选好的纸带上选取计数点时，是否一定要每相隔5个间隔点取一个计数点？

（8）如果每相隔4个间隔点取一个计数点，如何计算自由落体加速度？（拓展学习内容）

2.研读结束后，各小组通过讨论分别制订自己的实验方案。

3.师生共同研讨解答上面的问题。

4.各小组修正、细化、完善自己的实验方案。

5.各小组按照完善后的实验方案进行探究实验，教师巡回指导。

［第4环节］学生展示成果，师生评价成果

教师在各小组完成探究实验之后，让各小组的代表上台展示实验成果，接受师生评价。

各小组的代表上台展示本小组的探究结论，并陈述实验过程中遇到的困难和实验之后产生的困惑。

教师对各小组遇到的困难和困惑进行解答释疑，对各小组在实验过程中的表现作出评价。